¿Qué son los diodos Zener?

¿Qué es un diodo Zener?

Un diodo Zener es un tipo especial de diodo rectificador que puede manejar la ruptura debido a la tensión de ruptura inversa sin fallar completamente. Aquí discutiremos el concepto de usar diodos para regular la caída de tensión y cómo el diodo Zener opera en modo de polarización inversa para regular la tensión en un circuito.

Cómo regulan los diodos la caída de tensión

Si conectamos un diodo y una resistencia en serie con una fuente de tensión continua de forma que el diodo esté polarizado hacia delante, la caída de tensión a través del diodo permanecerá bastante constante en un amplio rango de tensiones de alimentación como en la figura(a) de abajo.

La corriente a través de una unión PN polarizada hacia delante es proporcional a e elevado a la potencia de la caída de tensión hacia delante. Dado que se trata de una función exponencial, la corriente aumenta con bastante rapidez para aumentos modestos de la caída de tensión.

Otra forma de considerar esto es decir que la tensión caída a través de un diodo polarizado hacia delante cambia poco para grandes variaciones en la corriente del diodo. En el circuito que se muestra en la figura (a) a continuación, la corriente del diodo está limitada por la tensión de la fuente de alimentación, la resistencia en serie y la caída de tensión del diodo, que como sabemos no varía mucho de 0,7 voltios.

Referencia de Si polarizada hacia delante: (a) un solo diodo, 0,7V, (b) 10 diodos en serie 7,0V.

Si se aumentara la tensión de alimentación, la caída de tensión de la resistencia aumentaría casi en la misma cantidad, y la tensión del diodo caería sólo un poco. A la inversa, una disminución de la tensión de alimentación daría lugar a una disminución casi igual de la caída de tensión de la resistencia, con sólo una pequeña disminución de la caída de tensión del diodo.

En una palabra, podríamos resumir este comportamiento diciendo que el diodo está regulando la caída de tensión a aproximadamente 0,7 voltios.

El uso de la regulación de la tensión

La regulación de la tensión es una propiedad del diodo útil de explotar. Supongamos que estamos construyendo algún tipo de circuito que no tolera variaciones en la tensión de alimentación, pero que necesita ser alimentado por una batería química, cuyo voltaje cambia a lo largo de su vida útil. Podríamos formar un circuito como el que se muestra arriba y conectar el circuito que requiere una tensión constante a través del diodo, donde recibiría una tensión invariable de 0,7 voltios.

Esto ciertamente funcionaría, pero la mayoría de los circuitos prácticos de cualquier tipo requieren una tensión de alimentación superior a 0,7 voltios para funcionar correctamente. Una forma en la que podríamos aumentar nuestro punto de regulación de voltaje sería conectando múltiples diodos en serie para que sus caídas de voltaje hacia adelante individuales de 0,7 voltios cada una se sumaran para crear un total más grande.

Por ejemplo, en nuestro ejemplo anterior , si tuviéramos diez diodos en serie, el voltaje regulado sería diez veces 0,7, o 7 voltios.

Si el voltaje de la batería nunca cayera por debajo de 7 voltios, siempre habría unos 7 voltios caídos a través de la «pila» de diez diodos.»

Cómo regulan el voltaje los diodos Zener

Si se requieren voltajes regulados más grandes, podríamos utilizar más diodos en serie (una opción poco elegante, en mi opinión) o intentar un enfoque fundamentalmente diferente.

Sabemos que el voltaje de avance del diodo es una cifra bastante constante bajo una amplia gama de condiciones, pero también lo es el voltaje de ruptura inverso. El voltaje de ruptura es normalmente mucho, mucho mayor que el voltaje de avance.

Si invertimos la polaridad del diodo en nuestro circuito regulador de un solo diodo y aumentamos el voltaje de la fuente de alimentación hasta el punto en el que el diodo «se rompe» (es decir, ya no puede soportar el voltaje de polarización inversa impreso a través de él), el diodo regularía de manera similar el voltaje en ese punto de ruptura, no permitiendo que aumente más. Esto se muestra en la figura(a) de abajo.

(a) El diodo de pequeña señal de Si con polarización inversa se rompe a unos 100V. (b) Símbolo del diodo Zener.

Desgraciadamente, cuando los diodos rectificadores normales se «descomponen», suelen hacerlo de forma destructiva. Sin embargo, es posible construir un tipo especial de diodo que puede soportar la descomposición sin fallar completamente. Este tipo de diodo se llama diodo Zener, y su símbolo se muestra en la figura(b) anterior.

Cuando se polarizan hacia adelante, los diodos Zener se comportan de forma muy similar a los diodos rectificadores estándar: tienen una caída de tensión hacia adelante que sigue la «ecuación del diodo» y es de aproximadamente 0,7 voltios. En el modo de polarización inversa, no conducen hasta que la tensión aplicada alcanza o supera la llamada tensión Zener, momento en el que el diodo es capaz de conducir una corriente considerable, y al hacerlo intentará limitar la tensión que cae a través de él a ese punto de tensión Zener.

Si la potencia disipada por esta corriente inversa no supera los límites térmicos del diodo, éste no se verá perjudicado. Por esta razón, los diodos Zener se denominan a veces «diodos de ruptura».

Circuito de diodos Zener

Los diodos Zener se fabrican con tensiones Zener que van desde unos pocos voltios hasta cientos de voltios. Este voltaje Zener cambia ligeramente con la temperatura y, al igual que los valores comunes de las resistencias de carbono, puede tener un error de entre el 5 y el 10 por ciento respecto a las especificaciones del fabricante. Sin embargo, esta estabilidad y precisión es generalmente lo suficientemente buena para que el diodo Zener se utilice como un dispositivo regulador de voltaje en el circuito de alimentación común de la figura siguiente.

Circuito regulador de diodo Zener, tensión Zener = 12,6V).

Funcionamiento del diodo Zener Tenga en cuenta la orientación del diodo Zener en el circuito anterior: el diodo tiene polarización inversa, y de forma intencionada. Si hubiéramos orientado el diodo de forma «normal», para que estuviera polarizado hacia delante, sólo caería 0,7 voltios, como un diodo rectificador normal. Si queremos aprovechar las propiedades de ruptura inversa de este diodo, debemos operarlo en su modo de polarización inversa. Mientras la tensión de alimentación permanezca por encima de la tensión Zener (12,6 voltios, en este ejemplo), la tensión caída a través del diodo Zener se mantendrá en aproximadamente 12,6 voltios.

Como cualquier dispositivo semiconductor, el diodo Zener es sensible a la temperatura. Una temperatura excesiva destruirá un diodo zener, y debido a que cae la tensión y conduce la corriente, produce su propio calor de acuerdo con la Ley de Joule (P=IE). Por lo tanto, hay que tener cuidado de diseñar el circuito regulador de forma que no se supere la potencia nominal de disipación del diodo. Curiosamente, cuando los diodos Zener fallan debido a una disipación de potencia excesiva, suelen fallar en cortocircuito en lugar de abiertos. Un diodo que falla de esta manera se detecta fácilmente: deja caer un voltaje casi nulo cuando se polariza en cualquier dirección, como un trozo de cable.

Análisis matemático del circuito regulador de diodos Zener

Examinemos un circuito regulador de diodos Zener matemáticamente, determinando todas las tensiones, corrientes y disipaciones de potencia. Tomando la misma forma de circuito mostrada anteriormente, realizaremos los cálculos suponiendo una tensión Zener de 12,6 voltios, una tensión de alimentación de 45 voltios y un valor de resistencia en serie de 1000 Ω (consideraremos que la tensión Zener es exactamente de 12.6 voltios para evitar tener que calificar todas las cifras como «aproximadas» en la Figura(a) a continuación

Si la tensión del diodo Zener es de 12,6 voltios y la tensión de la fuente de alimentación es de 45 voltios, habrá 32,4 voltios caídos a través de la resistencia (45 voltios – 12,6 voltios = 32,4 voltios). La caída de 32,4 voltios a través de 1000 Ω da 32,4 mA de corriente en el circuito. (Figura siguiente (b))

(a) Regulador de tensión Zener con resistencia de 1000 Ω. (b) Cálculo de las caídas de tensión y de la corriente.

La potencia se calcula multiplicando la corriente por la tensión (P=IE), por lo que podemos calcular las disipaciones de potencia tanto de la resistencia como del diodo Zener con bastante facilidad:

Un diodo Zener con una potencia de 0.5 vatios sería adecuado, al igual que una resistencia clasificada para 1,5 o 2 vatios de disipación.

Circuito de diodo Zener con resistencias más altas

Si la disipación de potencia excesiva es perjudicial, entonces ¿por qué no diseñar el circuito para la menor cantidad de disipación posible? Por qué no simplemente dimensionar la resistencia para un valor muy alto de resistencia, limitando así severamente la corriente y manteniendo las cifras de disipación de energía muy bajas? Tomemos este circuito, por ejemplo, con una resistencia de 100 kΩ en lugar de una de 1 kΩ. Observe que tanto la tensión de alimentación como la tensión Zener del diodo en la figura siguiente son idénticas a las del último ejemplo:

Regulador Zener con resistencia de 100 kΩ.

Con sólo 1/100 de la corriente que teníamos antes (324 µA en lugar de 32,4 mA), ambas cifras de disipación de potencia deberían ser 100 veces menores:

Consideraciones con la resistencia de carga

Parece ideal, ¿verdad? Una menor disipación de potencia significa menores temperaturas de funcionamiento tanto para el diodo como para la resistencia, y también menos energía desperdiciada en el sistema, ¿no? Un valor de resistencia más alto reduce los niveles de disipación de energía en el circuito, pero desgraciadamente introduce otro problema. Recuerda que el propósito de un circuito regulador es proporcionar un voltaje estable para otro circuito. En otras palabras, eventualmente vamos a alimentar algo con 12,6 voltios, y este algo tendrá un consumo de corriente propio.

Consideración de la resistencia de caída de menor valor

Consideremos nuestro primer circuito regulador, esta vez con una carga de 500 Ω conectada en paralelo con el diodo Zener de la figura siguiente.

Regulador Zener con resistencia en serie de 1000 Ω y carga de 500 Ω.

Si se mantienen 12,6 voltios a través de una carga de 500 Ω, la carga consumirá 25,2 mA de corriente. Para que la resistencia de «caída» en serie de 1 kΩ deje caer 32,4 voltios (reduciendo la tensión de la fuente de alimentación de 45 voltios a 12,6 a través del Zener), todavía debe conducir 32,4 mA de corriente. Esto deja 7,2 mA de corriente a través del diodo Zener.

Consideración de la resistencia de caída de mayor valor

Ahora considere nuestro circuito regulador de «ahorro de energía» con la resistencia de caída de 100 kΩ, entregando energía a la misma carga de 500 Ω. Lo que se supone que debe hacer es mantener 12,6 voltios a través de la carga, al igual que el último circuito. Sin embargo, como veremos, no puede cumplir esta tarea. (Figura inferior)

No regulador Zener con resistencia en serie de 100 KΩ con carga de 500 Ω.>

Con el valor más grande de la resistencia de caída en su lugar, sólo habrá unos 224 mV de tensión a través de la carga de 500 Ω, ¡mucho menos que el valor esperado de 12,6 voltios! ¿A qué se debe esto? Si realmente tuviéramos 12,6 voltios a través de la carga, ésta consumiría 25,2 mA de corriente, como antes. ¡Esta corriente de carga tendría que pasar por la resistencia de caída en serie como lo hizo antes, pero con una nueva resistencia de caída (¡mucho más grande!) en su lugar, el voltaje caído a través de esa resistencia con 25,2 mA de corriente pasando por ella sería de 2.520 voltios! Como obviamente no tenemos tanto voltaje suministrado por la batería, esto no puede suceder.

Análisis de la resistencia de caída más alta sin diodo Zener

La situación es más fácil de comprender si eliminamos temporalmente el diodo Zener del circuito y analizamos el comportamiento de las dos resistencias solas en la figura siguiente.

Sin regulador con el Zener quitado.

Tanto la resistencia de caída de 100 kΩ como la resistencia de carga de 500 Ω están en serie entre sí, dando una resistencia total del circuito de 100,5 kΩ. Con una tensión total de 45 voltios y una resistencia total de 100,5 kΩ, la Ley de Ohm (I=E/R) nos dice que la corriente será de 447,76 µA. Calculando las caídas de tensión a través de ambas resistencias (E=IR), llegamos a 44,776 voltios y 224 mV, respectivamente.

Si volviéramos a instalar el diodo Zener en este punto, «vería» 224 mV a través de él también, estando en paralelo con la resistencia de carga. Esto está muy por debajo de la tensión de ruptura Zener del diodo, por lo que no se «romperá» y conducirá la corriente. De hecho, a esta baja tensión el diodo no conduciría ni siquiera si estuviera polarizado hacia delante. Así, el diodo deja de regular la tensión. Para que se «active», deben pasar al menos 12,6 voltios.

La técnica analítica de retirar un diodo Zener de un circuito y ver si hay o no suficiente tensión para que conduzca es sólida. El hecho de que un diodo Zener esté conectado en un circuito no garantiza que la tensión Zener completa siempre caiga a través de él. Recuerde que los diodos Zener funcionan limitando la tensión a un nivel máximo; no pueden compensar la falta de tensión.

Regla en el funcionamiento de la regulación del diodo Zener

En resumen, cualquier circuito de regulación del diodo Zener funcionará siempre que la resistencia de la carga sea igual o mayor que algún valor mínimo. Si la resistencia de la carga es demasiado baja, tomará demasiada corriente, dejando caer demasiada tensión a través de la resistencia de caída en serie, dejando una tensión insuficiente a través del diodo Zener para hacerlo conducir. Cuando el diodo Zener deja de conducir la corriente, ya no puede regular la tensión, y la tensión de carga caerá por debajo del punto de regulación.

Calcular la resistencia de carga para ciertas resistencias de caída

Sin embargo, nuestro circuito regulador con la resistencia de caída de 100 kΩ debe ser bueno para algún valor de resistencia de carga. Para encontrar este valor de resistencia de carga aceptable, podemos utilizar una tabla para calcular la resistencia en el circuito en serie de dos resistencias (sin diodo), insertando los valores conocidos de la tensión total y la resistencia de caída, y calculando para una tensión de carga prevista de 12.6 voltios:

Con 45 voltios de tensión total y 12,6 voltios a través de la carga, deberíamos tener 32,4 voltios a través de Rdropping:

Con 32.4 voltios a través de la resistencia de caída, y 100 kΩ de resistencia en ella, la corriente a través de ella será de 324 µA:

Al ser un circuito en serie, la corriente es igual a través de todos los componentes en cualquier momento:

Calcular la resistencia de la carga es ahora una simple cuestión de la Ley de Ohm (R = E/I), dándonos 38.889 kΩ:

Por lo tanto, si la resistencia de la carga es exactamente 38,889 kΩ, habrá 12,6 voltios a través de ella, con o sin diodo. Cualquier resistencia de carga menor que 38,889 kΩ dará lugar a una tensión de carga inferior a 12,6 voltios, con diodo o sin él. Con el diodo en su lugar, la tensión de carga se regulará a un máximo de 12,6 voltios para cualquier resistencia de carga superior a 38,889 kΩ.

Con el valor original de 1 kΩ para la resistencia de caída, nuestro circuito regulador fue capaz de regular adecuadamente la tensión incluso para una resistencia de carga tan baja como 500 Ω. Lo que vemos es un compromiso entre la disipación de energía y la resistencia de carga aceptable. La resistencia de caída de mayor valor nos proporcionó una menor disipación de energía, a costa de elevar el valor mínimo aceptable de la resistencia de carga. Si queremos regular la tensión para resistencias de carga de bajo valor, el circuito debe estar preparado para manejar una mayor disipación de potencia.

Cómo regulan la tensión los diodos Zener

Los diodos Zener regulan la tensión actuando como cargas complementarias, tomando más o menos corriente según sea necesario para asegurar una caída de tensión constante a través de la carga. Esto es análogo a la regulación de la velocidad de un automóvil mediante el frenado en lugar de variar la posición del acelerador: no sólo es un despilfarro, sino que los frenos deben estar construidos para manejar toda la potencia del motor cuando las condiciones de conducción no lo exigen.

A pesar de esta ineficiencia fundamental de diseño, los circuitos reguladores de diodos Zener se emplean ampliamente debido a su pura simplicidad. En aplicaciones de alta potencia, donde las ineficiencias serían inaceptables, se aplican otras técnicas de regulación de tensión. Pero incluso entonces, los pequeños circuitos basados en Zener se utilizan a menudo para proporcionar una tensión de «referencia» para accionar un circuito amplificador más eficiente que controle la potencia principal.

Tensiones comunes de los diodos Zener

Los diodos Zener se fabrican en las tensiones estándar que se indican en la tabla siguiente. La tabla «Tensiones comunes de los diodos Zener» enumera las tensiones comunes para las piezas de 0,3W y 1,3W. La potencia en vatios corresponde al tamaño de la matriz y del paquete y es la potencia que el diodo puede disipar sin sufrir daños.

Tensiones comunes de los diodos Zener

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Cortador de diodos Zener: Un circuito de recorte que recorta los picos de la forma de onda aproximadamente a la tensión Zener de los diodos. El circuito de la figura siguiente tiene dos Zeners conectados en serie opuestos para recortar simétricamente una forma de onda a casi la tensión Zener. La resistencia limita la corriente consumida por los Zeners a un valor seguro.

*SPICE 03445.eps D1 4 0 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .model diode d bv=10 .tran 0.001m 2m .end 

Clasificador de diodos Zener:

La tensión de ruptura de los diodos Zener se establece en 10 V mediante el parámetro del modelo de diodo «bv=10» en la lista de redes de spice de la Figura anterior. Esto hace que los Zeners se corten a unos 10 V. Los diodos back-to-back cortan ambos picos. Para un medio ciclo positivo, el Zener superior está polarizado en sentido inverso, rompiendo en el voltaje Zener de 10 V. El Zener inferior cae aproximadamente 0,7 V ya que está polarizado hacia adelante. Por lo tanto, un nivel de recorte más preciso es 10+0,7=10,7V. Un recorte similar de medio ciclo negativo se produce a -10,7 V. (La figura de abajo) muestra el nivel de recorte en un poco más de ±10 V.

Cortador de diodo Zener: la entrada v(1) se recorta en la forma de onda v(2).

REVISIÓN:

• Los diodos Zener están diseñados para funcionar en modo de polarización inversa, proporcionando una tensión de ruptura o Zener relativamente baja y estable a la que comienzan a conducir una corriente inversa sustancial.
• Un diodo Zener puede funcionar como regulador de tensión actuando como carga accesoria, extrayendo más corriente de la fuente si la tensión es demasiado alta, y menos si es demasiado baja.

Hojas de trabajo relacionadas:

• Hoja de trabajo de diodos Zener
• Proyecto de diseño: Hoja de trabajo del regulador de tensión continua